微電網是由光伏、風力、柴油發(fā)電機、生物質能等分布式電源、用電負荷、監(jiān)控保護、儲能等自動化裝置組成的能夠實現內部基本用電量平衡的小型供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以并網和離網運行。本文介紹了微電網與虛擬電廠、虛擬同步機的異同點，選取規(guī)劃因子建立分析模型，解析了微電網中的穩(wěn)態(tài)問題、諧波原因，采用分層控制技術調整優(yōu)化系統(tǒng)的運行，最后結合案例來綜合了解微電網建設中的關鍵技術與難點。

1、 熱點對比

虛擬電廠：VPP，是聚合多種分布式能源資源構成的特殊類型的發(fā)電廠，通過先進的控制、通信等技術實現分布式電源、儲能系統(tǒng)、柔性負荷、電動汽車等分布式單元的協(xié)調控制和優(yōu)化運行。

能效電廠：EPP，通過實施一攬子節(jié)電技術和能效項目，獲得需方節(jié)約的電力資源，國際能源界將實施電力需求側管理，開發(fā)、調度需方資源所形成的的能力，形象地命名為能效電廠，能源電廠是虛擬電廠的一種模式。

虛擬同步機：VSG，借鑒同步發(fā)電機的機械方程和電磁方程來控制并網逆變器，使得并網逆變器在機理上和外特性上能與同步發(fā)電機相媲美的控制策略，尤其是模仿同步機的慣性時間常數。

簡單來說，虛擬電廠包括了電源、負荷;而虛擬電廠是對負荷進行控制。常規(guī)所認為的并網型微電網是虛擬電廠的一種存在狀態(tài)。個人認為，未來，和大電網相連的并網型微電網的終極狀態(tài)將是虛擬電廠的一個節(jié)點。

虛擬同步機是目前微電網控制技術中比較重要的一項技術，在微電網方程控制技術中處于中低層。VSG在并網或離網情況下都可以做，和電力電子這種跟隨型的控制技術相比，它是一種主動型的控制技術。在配電網側，它也是一項非常好的技術，像光伏、風電等只呈現出發(fā)電的屬性，并沒有體現出配電網的調節(jié)屬性。配電網側新能源接入比例逐漸增大后，對電源具備配電網調節(jié)的能力要求將越來越高。

相同點：

都是由各類分布式電源和負荷構成，接入配電網。

不同點：

微電網可以并網和孤島運行，虛擬電廠只能并網運行，

微電網的產權所有者只有一個，虛擬電廠的產權所有者可以是多個，但是它的運營方式只有一個，

微電網只有一個PCC點，虛擬電廠有多個接入點，

目前微電網更側重于技術問題，如分層控制技術、滲透率控制技術等，隨著電力體制改革和能源戰(zhàn)略結構來看，虛擬電廠更加側重于技術基礎和商業(yè)模式的探討。

相同點：

被控主體是分布式電源，都在模擬發(fā)電廠的某些外部特性。

不同點：

虛擬電廠主要控制發(fā)電量和用電量，虛擬同步機主要控制PCS等電源，

在大電網或者微電網的分層控制中，越底層速度越高，虛擬同步機動態(tài)時間域在毫秒到秒級之間，而虛擬電廠穩(wěn)定時間域在分鐘級以上，

虛擬電廠是多電源和多負荷協(xié)調控制，不需要在同步的控制周期下，虛擬同步機對控制的帶寬要求比較高，

虛擬同步機主要是基于電力電子技術和通信技術，虛擬電廠目前主要是考慮商業(yè)運營模式的綜合性技術，或者是商業(yè)化的總包服務或者資產管理、資產交易等。

2、規(guī)劃因子

規(guī)劃因子是微電網選擇的約束模型，基于這個模型可以選擇比較優(yōu)質的項目。規(guī)劃因子主要分為組成潛力評估、電網接入評估、電力市場政策和相關能源政策四部分。

3、源荷儲發(fā)電特性契合度

微電網的控制和分析需要先建立模型，知道源網荷儲之間的發(fā)電契合度，如上圖，在這個物理架構的基礎上做一些控制仿真。

4、

在微電網控制中有一個非常常見的問題，即系統(tǒng)的震蕩、保護，這是在穩(wěn)態(tài)過程中出現的一些暫態(tài)問題。從物理上講微電網系統(tǒng)存在固定和非固定的諧振帶，且非固定諧振帶隨電源數量增多而向低頻偏移。電網阻抗增大，電源數量變多和鎖相環(huán)帶寬增大都會導致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。

目前基本上所有的電源都能滿足并網標準，但是并不完全滿足配電網的用戶需求，配電網的用戶需求需要電源有一定的調節(jié)能力，而目前的電源都是跟隨型的控制策略，需要鎖定和跟蹤電網的相位和頻率，所以把跟隨型的控制策略變成主動型的控制策略，主動調節(jié)配電網中的電壓、頻率以及多個電源之間有功、無功的分配。

微電網多電源運行有下面兩種情況：

電壓幅值不等時，產生有功環(huán)流，有功環(huán)流與幅值差值成正比;

電壓行為不等時，產生無功環(huán)流隨相位差的增大非線性增大。

5、微網諧振原因

從電源發(fā)射特性看：

逆變器自身的非線性與死區(qū)等

負荷的非線性和沖擊性

電網背景諧波

從多電源并聯諧振看：

多電源之間存在阻抗耦合

控制方式會影響到電源之間的阻抗耦合

電網電抗與逆變器直接存在阻抗耦合

電源自身的固有諧振頻率

6、微電網諧振抑制結論

系統(tǒng)諧振帶為疊加諧振帶，包含自身諧振帶，并聯諧振帶和串聯諧振帶，合理選擇虛擬阻尼電阻可以有效衰減諧振效果。

采用頻域阻抗法可以分析新能源發(fā)電接入電網的穩(wěn)定性，但Dq坐標系下阻抗建模的物理意義模糊，阻抗難以直接測量，建議在abc坐標系下進行阻抗建模。

基于這些仿真分析和實驗看，多負荷多電源的微電網系統(tǒng)采用VSG+虛擬阻抗技術可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效平衡各個電源之間的出力情況，VSG和虛擬阻抗的相關參數可以通過計算、仿真得出。

7、微電網分層控制技術

微電網不同于單個變流器，需要基于分層控制技術。上層主要是發(fā)電計劃、運行模式、負荷預測、發(fā)電預測和機組組合的控制，中間層主要是孤島檢測、聯絡線功率控制、二次電壓和頻率控制，底層即電源層，主要是進行一些VSG控制，阻尼阻抗、諧振抑制、功率分配等。

中間層向底層不同電源分配指令時基于很多的控制算法，例如不同電源之間的特性。在孤島運行時，微電網中的負荷不平衡，尤其新負荷、非線性負載比較多的時候，容易造成諧波污染，這時就需要按照不同的電源特性分配不同的指令，例如當負載不平衡時，需要針對性的發(fā)出零序分量和負序分量，如果這些不平衡電流由儲能發(fā)出，那在儲能電源的直流側就會形成直流電壓紋波，對很多電池就會造成損壞。

目前常見的控制方式主要是有線通信和無線通信兩種，不同的通信方式有不同的特性。一般情況下，越往底層的通信，要求的控制帶寬越高，通信速率也就越高。從系統(tǒng)的控制上看，有效的控制帶寬越高，有效的控制速度越高，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高，這主要取決于通信協(xié)議和控制策略，并不是說選用的物理介質允許通信速率高，控制帶寬就高。

8、系統(tǒng)同步信號載波移相

上圖的中間層和光伏逆變器、風電變流器之間通過光纖通訊連接，通過同步信號控制電源載波。載波移相可以有效的提高并網點的等效電頻，電頻數量隨設備的增加而增多，電能質量也隨之越好。

在微電網中，設備之間并的電源越多，系統(tǒng)越容易震蕩，這時候可以增加虛擬阻抗策略、VSG策略以及提高并網端的等效電頻等，目的都是為了保證整個系統(tǒng)的控制增益不隨并聯設備的數量變多而降低。當然這都是基于VSG+虛擬阻抗的前提而言。

9、優(yōu)化系統(tǒng)控制

上圖基于分層控制和快速通信技術，有效提高系統(tǒng)VF節(jié)點的容量，同時能針對不同電池的特性分配不同的指令，系統(tǒng)會分解出調節(jié)系統(tǒng)頻率和電壓所需要的有功、無功。根據直流對直流紋波電壓的敏感程度分配指令，既可以保證系統(tǒng)的容量增大，也可以保證系統(tǒng)相關器件壽命的延長。

10、微電網上層和底層關鍵技術

微電網中，越接近底層越接近于控制技術，越接近上層越接近于商業(yè)模式。

大數據在交互級或者交易平臺級別都能用到，主要用來預測、數據增值、智能化運維、智能化服務、資產定價、資產交易等。

個人認為，區(qū)塊鏈和分布式發(fā)電或微電網有天然的契合度，在分布式發(fā)電或微電網的電力交易支付、資產交易記錄、征信等方面的應用有很大前景。

微電網底層相關技術主要包括IOT、儲能等。儲能在微電網中扮演著穩(wěn)定源的角色，因為大部分新能源屬于不穩(wěn)定源，如果整個系統(tǒng)要去發(fā)電和供需平衡，不穩(wěn)定源就需要儲能來補償調節(jié)。

11、案例

智能控制：DF項目并離網無縫切換(DO反饋)

上圖是某項目的并離網切換實驗。它是計劃性的并離網切換，離網轉并網，同期跟蹤電網相位，然后基于VSG的同期分層控制，并網開關閉合，完成了離網向并網的轉換，這個過程中并離網信號通過DO來反饋，速度比較快。

智能控制：并離網無縫切換(RS485)

上圖也是計劃性的并離網切換，它的整個系統(tǒng)中有多個電源，選擇RS485通信，實現了多個電源之間的功率分配及并離網無縫切換的穩(wěn)定運行。

智能控制：VSG模式并離網無縫切換(RS485)

上圖是基于RS485的多VSG模式的并離網切換，放大并離網切換時刻可以看到電流有一定變化，因為在并網時響應發(fā)電指令，離網時需要調節(jié)系統(tǒng)電壓和頻率，進行二次調頻/調壓，功率會發(fā)生一點變化，但是整個系統(tǒng)的電壓保持不變。

上圖是并網情況下，以VSG控制策略在運行的情況。電流突然變大，頻率下降，說明在VSG的情況下，電源是有配電網調節(jié)能力的。

微電網案例

1、金風科技全球總部智慧能源示范項目

項目意義：

國內首個MW級工業(yè)區(qū)智慧能源項目

北京市首家返送電微電網示范項目

國家863主動配電網1MW支撐電源項目

IEC微電網標準試驗基地

中法國家級測試驗證基地

孤島—并網雙模式運行

項目價值：

年發(fā)電量392萬度

可再生能源占比為32%

能耗總量下降約15%

節(jié)能率(折合標煤)為14.3%

年減排二氧化碳3491噸

預期內部收益率10.28%

一期滲透率：32%

二期滲透率：>100%

(2MW風機+600k燃氣輪機+綠證，新能源占比接近100%)

項目參數：

2.5MW風機

1067Kwp光伏(多晶硅990KW、單晶硅5KW、72KW碲化鎘薄膜)

65kW*2+600kW微燃機

釩液流：200 kW *4h

鋰電池：100 kW *1.5h

超級電容：200kW*10s

項目功能：

黑啟動

削峰填谷，復用備用電源

多能互補

需求側相應

冷熱電三聯供

解決方案：

光伏發(fā)電+風力發(fā)電+儲能系統(tǒng)+節(jié)能改造+智慧能源管理平臺

運行實時數據：

上圖是通過釩液流儲能來平抑風電的情況，藍色是風電的出力曲線，紅色是儲能的出力曲線，綠色是兩者設備平滑后總的出力情況。

2、江蘇大豐風電產業(yè)園智慧能源項目

項目意義：

國內首個商業(yè)化并網型工業(yè)區(qū)微電網項目

項目價值：

年發(fā)電量433萬度

可再生能源占比為21%

Co2減排4300噸/年

預期內部收益率：9.5%

降低增容費：4.8萬元/月

項目參數：

2.0MW+100kW風機

96kWp光伏

540kWh鉛炭儲能系統(tǒng)

解決方案：

風力發(fā)電+光伏發(fā)電+儲能系統(tǒng)+能源管理系統(tǒng)+智慧能源管理平臺

微電網電力供客戶生產使用，年耗電1970萬度左右。投資回收期：8.78年。

3、寧夏嘉澤智慧能源示范項目

項目意義：

國內首個商業(yè)化MW級風光燃儲多能互補項目

項目價值：

預計年發(fā)電量512萬度

可再生能源占總用電量的31%

未來規(guī)劃發(fā)展清潔能源占比60%

年減排co2：4560.9噸

年收益約6.11%

項目參數：

2.0MW低風速風機

375KW太陽能光伏

釩液流電池儲能：125kw*5h

65kw微燃機

暫態(tài)穩(wěn)控系統(tǒng)

電力智能調度系統(tǒng)

微電網發(fā)電側及負荷側全覆蓋監(jiān)控系統(tǒng)

2臺充電樁

解決方案：

風力發(fā)電+光伏發(fā)電+微燃機/儲能/充電樁+智慧能源管理平臺

4、岳陽高瀾智慧能源項目

項目意義：

湖南首個MW級智能微網項目

項目價值：

年發(fā)電量預計145萬度

減少碳排放1291余噸

項目參數：

1.7MW光伏

600kWh鉛炭儲能

運行方式：

峰谷套利

5、安徽無為國家級智慧能源示范點

項目意義：

國家首批“互聯網+”智慧能源示范項目

全國首家縣級城市智慧能源示范

智慧能源產業(yè)的里程碑，可推廣復制

項目價值：

新能源發(fā)電量6434萬度

項目參數：

60MWp分布式光伏

6MW分布式風機

20MW*2h壓縮空氣儲能

應用場景：

峰谷套利

電能質量優(yōu)化

降低增容費

降低可再生能源波動，提高滲透率

關鍵負荷備用電源

解決方案：

光伏發(fā)電+風力發(fā)電+空氣儲能+供熱供冷+管網系統(tǒng)+智慧能源管理平臺